GCr15 so với SUJ2 – Thành phần, Xử lý nhiệt, Tính chất và Ứng dụng

Giới thiệu

GCr15 và SUJ2 là hai loại thép chịu lực crom cacbon cao được sử dụng rộng rãi, được quy định tương ứng trong các tiêu chuẩn quốc gia của Trung Quốc và Nhật Bản. Các kỹ sư, quản lý mua sắm và nhà lập kế hoạch sản xuất thường phải đối mặt với tình huống khó xử khi lựa chọn giữa các loại thép này khi chỉ định các chi tiết lăn, trục chính xác và các bộ phận chống mài mòn — cân bằng chi phí, sự thuận tiện của chuỗi cung ứng, phản ứng xử lý nhiệt và các hoạt động hạ nguồn như gia công, mài và hoàn thiện.

Về mặt luyện kim, các loại thép này tương đương nhau về mặt chức năng: cả hai đều là thép chịu lực hợp kim crôm hàm lượng carbon cao (gần 1,0% C), được phát triển để có độ cứng cao, khả năng chống mỏi và độ ổn định kích thước sau khi tôi và ram. Do đó, những khác biệt thực tế thúc đẩy sự lựa chọn không phải là sự khác biệt lớn về thành phần mà là dung sai tiêu chuẩn, dạng sản phẩm có sẵn, hệ thống chất lượng của nhà cung cấp và các phương pháp xử lý nhiệt phổ biến tại địa phương.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

• GCr15: Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc dành cho thép chịu lực tương đương với thép chịu lực quốc tế thông dụng (thường được so sánh với AISI 52100). Đây là loại thép chịu lực có hàm lượng crôm cacbon cao.
• SUJ2: Tiêu chuẩn Công nghiệp Nhật Bản (JIS) dành cho thép chịu lực chứa 1% crom C (tương đương với tiêu chuẩn AISI 52100/5210). Cũng được phân loại là thép chịu lực chứa crom cacbon cao.
• Các tiêu chuẩn liên quan/toàn cầu và tài liệu tham khảo chéo thường được tham khảo:
• AISI/ASTM: AISI 52100 (tham chiếu chéo thường dùng)
• EN: 100Cr6 (Thép chịu lực châu Âu có tính chất hóa học và công dụng tương tự)
• GB: Tiêu chuẩn GB/T của Trung Quốc cho thép chịu lực (GCr15)
• JIS: SUJ2 theo JIS G4805 (thép chịu lực)
• Phân loại vật liệu: Cả hai đều là thép chịu lực crom cacbon cao (không phải thép không gỉ, không phải thép HSLA hợp kim vi mô, không phải thép công cụ theo nghĩa là dụng cụ cắt).

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

• Bảng sau đây tóm tắt các phạm vi thành phần điển hình được quy định bởi các tiêu chuẩn quốc gia. Các giá trị được đưa ra là các phạm vi tiêu chuẩn điển hình; cần kiểm tra báo cáo thử nghiệm nhà máy được chứng nhận của nhà cung cấp để biết thành phần lô chính xác.

Yếu tố	GCr15 điển hình (wt%)	SUJ2 điển hình (wt%)
C	0,95 – 1,05	0,95 – 1,05
Mn	0,25 – 0,45	0,25 – 0,45
Si	0,15 – 0,35	0,15 – 0,35
P	≤ 0,025 – 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
S	≤ 0,025 – 0,035 (tối đa)	≤ 0,035 (tối đa)
Cr	1,30 – 1,65	1,30 – 1,65
Ni	Không cố ý thêm vào / ≤ 0,25 (dấu vết)	Không cố ý thêm vào / ≤ 0,25 (dấu vết)
Mo	Không cố ý thêm / theo dõi	Không cố ý thêm / theo dõi
V, Nb, Ti, B, N	Không xác định / chỉ theo dõi	Không xác định / chỉ theo dõi

Giải thích về chiến lược hợp kim: - Cacbon (C ~1%): tạo độ cứng cao và hình thành martensite; nguồn chính tạo nên độ cứng và khả năng chống mài mòn của ổ trục sau khi tôi/ram. - Crom (Cr ~1,3–1,65%): tăng khả năng tôi cứng, góp phần làm cứng thứ cấp và chống mài mòn, tinh chế cacbua (hiệu suất chịu mỏi tiếp xúc lăn tốt hơn). - Silic và mangan: chất khử oxy và góp phần tăng độ bền/độ cứng. - Hàm lượng phốt pho và lưu huỳnh thấp: giảm thiểu các tạp chất làm giảm tuổi thọ chịu mỏi và tính toàn vẹn của bề mặt. - Các loại thép này có hàm lượng hợp kim thấp hơn Cr một cách cố ý; chúng được thiết kế để đạt được các đặc tính chịu lực mong muốn thông qua quá trình xử lý nhiệt chính xác thay vì hợp kim hóa nặng.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình và phản ứng xử lý: - Trong điều kiện ủ: cacbua perlit hoặc cầu hóa trong nền ferit (tùy thuộc vào công thức ủ). Cầu hóa cải thiện khả năng gia công cho quá trình gia công hoàn thiện trước. - Sau khi tôi (austenit hóa và tôi): nền martensitic chủ yếu với các cacbua crom phân tán. Hàm lượng cacbon cao và crom vừa phải tạo ra cấu trúc vi mô martensitic với các cacbua mịn phù hợp với khả năng chống mỏi tiếp xúc lăn. - Ram: giảm độ giòn, cải thiện độ dai và ổn định austenit giữ lại. Độ cứng và độ dai cuối cùng được kiểm soát bằng nhiệt độ và thời gian ram.

Tác động của các tuyến xử lý chung: - Chuẩn hóa: tinh chỉnh kích thước hạt, hữu ích như một bước xử lý trước khi xử lý nhiệt cuối cùng cho các sản phẩm rèn lớn. - Làm nguội & ram: phương pháp chính cho các bộ phận ổ trục. Quá trình austenit hóa thường được thực hiện trong phạm vi phù hợp với thép 1,0% C–1,6% Cr (nhà sản xuất và tiêu chuẩn quy định nhiệt độ chính xác), tôi dầu hoặc tôi muối thường được sử dụng để tránh biến dạng quá mức. - Xử lý nhiệt cơ: rèn và cán có kiểm soát có thể cải thiện hình thái và hướng của tạp chất, giúp tăng tuổi thọ chịu mỏi; tuy nhiên thành phần hóa học không thay đổi nhiều đối với các loại này.

4. Tính chất cơ học

Tính chất cơ học phụ thuộc rất nhiều vào trạng thái xử lý nhiệt. Bảng dưới đây cung cấp phạm vi tính chất đại diện cho các điều kiện ủ và tôi/ram; hãy sử dụng dữ liệu xử lý nhiệt được chứng nhận của nhà cung cấp cho thiết kế.

Tình trạng	Độ bền kéo (xấp xỉ)	Cường độ chịu kéo (xấp xỉ)	Độ giãn dài (xấp xỉ)	Độ bền va đập (định tính)	Độ cứng
Ủ / hình cầu hóa	700 – 900 MPa	500 – 700 MPa	8 – 15%	Vừa phải	~180 – 240 HB (khoảng 15–25 HRC)
Đã được tôi và ram (hoàn thiện chịu lực, độ cứng cao)	1400 – 2100 MPa (thay đổi tùy theo nhiệt độ)	Nhạy cảm với khía; cao	1 – 8%	Thấp hơn ủ; được kiểm soát bằng nhiệt độ	58 – 66 HRC (điển hình cho các bộ phận cán)

Giải thích: - Độ bền: Trong điều kiện tôi và ram, cả hai loại đều có độ bền kéo rất cao do có nền martensitic; độ bền chủ yếu là hàm của các thông số cacbon và ram chứ không phải là sự khác biệt nhỏ giữa hai loại. - Độ dẻo dai và độ linh hoạt: Đánh đổi với độ cứng — nhiệt độ tôi cao hơn làm tăng độ dẻo dai và độ linh hoạt nhưng làm giảm độ cứng và khả năng chống mài mòn. Các ứng dụng ổ trục hướng đến sự cân bằng: độ cứng cao để chống mài mòn và mỏi tiếp xúc lăn và độ dẻo dai dư đủ. - Giữa GCr15 và SUJ2: không có lợi thế hệ thống nội tại về độ bền hoặc độ dẻo dai — sự khác biệt được thúc đẩy bởi thông số kỹ thuật xử lý nhiệt chính xác và kiểm soát chất lượng.

5. Khả năng hàn

Hàm lượng cacbon cao (~1,0%) cộng với hàm lượng crom làm cho loại thép này có khả năng hàn thấp so với thép cacbon thấp. Những cân nhắc liên quan: - Hàm lượng C cao và Cr vừa phải làm tăng khả năng tôi cứng và xu hướng hình thành martensite ở vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt (HAZ), làm tăng nguy cơ nứt nguội. - Thông thường, cần sử dụng phương pháp gia nhiệt trước, kiểm soát nhiệt độ giữa các mối hàn và xử lý nhiệt sau hàn (PWHT) cho các cụm hàn để tránh các cấu trúc vi mô HAZ giòn. - Công thức thường dùng để đánh giá khả năng hàn một cách định tính: - Lượng cacbon tương đương IIW: $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm bảo thủ hơn để đánh giá khả năng nứt lạnh: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$ - Diễn giải: Cả hai loại thép này đều tạo ra hàm lượng carbon tương đương tương đối cao (do hàm lượng C và Cr gần 1%), do đó chúng được xếp vào loại "khó hàn" nếu không có quy trình đặc biệt. Đối với hầu hết các ứng dụng ổ trục, việc hàn được tránh; gia công và lắp ráp cơ khí được ưu tiên.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

• Đây không phải là thép không gỉ. Crom ở mức ~1,3–1,65% chỉ cải thiện đôi chút khả năng chống ăn mòn so với thép cacbon thông thường nhưng không mang lại tính thụ động.
• Các chiến lược bảo vệ tiêu chuẩn cho môi trường dịch vụ:
• Lớp phủ: mạ kẽm nhúng nóng (nếu hình dạng cho phép), mạ điện hoặc lớp phủ chuyển đổi.
• Sơn và lớp phủ polyme dùng trong môi trường khí quyển.
• Bôi trơn và tra dầu cho bề mặt ổ trục để hạn chế ăn mòn tiếp xúc.
• PREN (chỉ số tương đương khả năng chống rỗ) là một chỉ số thép không gỉ và không áp dụng cho GCr15 hoặc SUJ2 vì hàm lượng Cr của chúng thấp hơn nhiều so với thép không gỉ. Để tham khảo, PREN là: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ nhưng điều này không có ý nghĩa đối với các loại thép chịu lực không phải thép không gỉ này.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Khả năng gia công: Ở trạng thái ủ/cầu hóa, cả hai loại đều gia công khá tốt. Khi được tôi cứng, chúng khó gia công và thường được mài hoặc hoàn thiện bề mặt thay vì tiện hoặc phay.
• Mài và hoàn thiện: Mài và mài chính xác là tiêu chuẩn cho kích thước cuối cùng và độ hoàn thiện bề mặt của các bộ phận ổ trục. Cần có đá mài cacbua và chất làm mát phù hợp cho trạng thái tôi cứng.
• Khả năng tạo hình: Độ dẻo thấp khi ở trạng thái tôi cứng; quá trình tạo hình nên được thực hiện ở trạng thái ủ.
• Biến dạng do xử lý nhiệt: hàm lượng carbon cao và quá trình tôi cứng dẫn đến nguy cơ biến dạng đáng kể; cần cẩn thận trong việc cố định, lựa chọn phương pháp tôi cứng (dầu, polyme) và các chu trình ram để giảm thiểu sự thay đổi về kích thước.
• Xử lý bề mặt: đôi khi sử dụng phương pháp tôi cảm ứng để làm cứng cục bộ trục trong khi vẫn giữ được ổ trục ở tình trạng mong muốn.

8. Ứng dụng điển hình

GCr15 (sử dụng phổ biến)	SUJ2 (sử dụng phổ biến)
Vòng bi lăn: bi, con lăn	Vòng bi lăn: bi, con lăn
Trục và trục chính xác	Trục và trục chính xác
Vòng bi và lồng ổ trục	Vòng bi và lồng ổ trục
Các bộ phận hao mòn như cam, chốt và khuôn dụng cụ (nơi yêu cầu độ cứng cao)	Các thành phần hao mòn như cam, chốt và các bộ phận dụng cụ
Phụ tùng ô tô: linh kiện truyền động, hệ thống lái	Các bộ phận ổ trục ô tô và công nghiệp theo thông số kỹ thuật JIS

Cơ sở lựa chọn: - Cả hai loại thép đều được lựa chọn khi độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và tuổi thọ mỏi tiếp xúc lăn là yếu tố quan trọng. Việc lựa chọn giữa chúng thường dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc (GB so với JIS), trình độ của nhà cung cấp và tình trạng hàng tồn kho tại địa phương hơn là ưu thế về kim loại.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Cả hai loại thép này đều là thép chịu lực thương mại và nhìn chung có giá thành vừa phải. Chênh lệch giá thường do chi phí cung ứng, hậu cần và chứng nhận tại địa phương chứ không phải do thành phần nguyên liệu thô.
• Khả dụng:
• GCr15 được lưu kho phổ biến tại Trung Quốc và nhiều thị trường châu Á; SUJ2 phổ biến tại Nhật Bản và các thị trường nhập khẩu vật liệu theo tiêu chuẩn JIS. Các nhà phân phối quốc tế thường xuyên cung cấp các sản phẩm tương đương (AISI 52100, EN 100Cr6) đáp ứng yêu cầu của khách hàng.
• Hình dạng sản phẩm: thanh, vòng, phôi rèn, dây và các chi tiết cán thành phẩm. Thời gian giao hàng và dung sai có sẵn thay đổi tùy theo nhà sản xuất.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Bảng tóm tắt (định tính)

Thuộc tính	GCr15	SUJ2
Khả năng hàn	Kém — cần phải làm nóng trước/PWHT	Kém — cần phải làm nóng trước/PWHT
Sức mạnh-Độ dẻo dai (sau HT)	Độ bền cao, độ dẻo dai được điều chỉnh thông qua quá trình tôi luyện	Độ bền cao, độ dẻo dai được điều chỉnh thông qua quá trình tôi luyện
Chi phí và tính khả dụng	Chi phí thường thấp hơn/thời gian chờ ngắn hơn ở Trung Quốc; có sẵn rộng rãi	Có sẵn rộng rãi trong chuỗi cung ứng JIS; có thể được ưu tiên khi yêu cầu thông số kỹ thuật JIS

Khuyến nghị: - Chọn GCr15 nếu: chuỗi cung ứng và đảm bảo chất lượng của bạn được tổ chức theo tiêu chuẩn Trung Quốc, bạn yêu cầu nguồn cung ứng tiết kiệm chi phí ở những khu vực thường xuyên dự trữ GCr15 hoặc bản vẽ/chứng nhận của bạn chỉ định vật liệu GB/T. - Chọn SUJ2 nếu: bộ phận mua sắm hoặc khách hàng của bạn yêu cầu chỉ định vật liệu theo tiêu chuẩn JIS, bạn đang làm việc trong chuỗi cung ứng theo tiêu chuẩn Nhật Bản hoặc tài liệu chứng nhận/trình độ hiện có chỉ định SUJ2.

Lưu ý thực tế cuối cùng: GCr15 và SUJ2 tương đương về mặt luyện kim cho hầu hết các ứng dụng ổ trục. Các yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất là lịch trình xử lý nhiệt chi tiết, kiểm soát tạp chất và hình thái carbide, mài/hoàn thiện chính xác, cũng như bảo vệ bề mặt và bôi trơn phù hợp. Luôn kiểm tra chứng chỉ nhà máy, bản đồ độ cứng và tài liệu kiểm soát quy trình cho lô hàng bạn mua thay vì chỉ dựa vào tên mác danh nghĩa.